Obliczenia matematyczne

Stałym elementem „wyposażenia” oscyloskopów wysokiej klasy są złożone operacje matematyczne. I w tym przypadku programiści odpowiedzialni za fragment oprogramowania realizujący obliczenia matematyczne stanęli na wysokości zadania. Formuły matematyczne są wprowadzane metodą dość intuicyjną. Wyrażenia są zagnieżdżane do 5 poziomów. Prosty test polegający na wykonaniu dwóch przeciwnych operacji (np. całkowanie i różniczkowanie) dał wynik zbliżony do oryginału. Liczba dostępnych operacji matematycznych jest spora, użytkownicy powinni być z tej opcji zadowoleni. Na rysunku 9 przedstawiono przykład wykonania obliczenia Frequency dla sygnału o przemiatanej liniowo częstotliwości.

Rysunek 9. Obliczenia matematyczne – funkcja Frequency

W oscyloskopach innych producentów do obliczeń matematycznych jest często włączana analiza widmowa FFT. W RTM-ach funkcja ta występuje jako oddzielna opcja pomiarowa uruchamiana przyciskiem FFT. Uzyskanie zadawalającego wykresu wymaga jednak przemyślanego ustawienia kilku parametrów. Wpływają one na szybkość obliczeń, dokładność i zakres pomiarowy. Skalowanie wykresu widmowego polega na określeniu dwóch parametrów: częstotliwości środkowej i zakresu częstotliwości (Span). Wyniki zależą jednak od ustawionej podstawy czasu, liczby punktów branych do obliczeń (od 2048 do 65536) oraz okna czasowego YT-Window i jego położenia w rekordzie akwizycji. Niezależnie wybierane jest okno wykorzystywane do obliczeń transformaty (Hanning, Hamming, Blackman, Rectangle). Funkcja FFT działa bardzo dobrze, ale przy dużej liczbie punktów zauważalne staje się wydłużenie czasu obliczeń.

Przeprowadzając pomiary widma można się zetknąć z dość nieoczekiwanym, poniekąd ubocznym efektem wynikającym głównie z szerokiego pasma analogowego oscyloskopu i dużej czułości wejść. Otóż przy braku sygnału wejściowego (nie jest to jednak warunek konieczny) w widmie badanego sygnału można doskonale dostrzec prążki o bardzo charakterystycznych częstotliwościach. Na przykład szczególnie dobrze rozpoznawane są częstotliwości radiowe (rysunek 10). Dość dokładnie daje się nawet określić poziom „odbieranego” sygnału poszczególnych stacji. Sygnały te indukują się na samym kablu pomiarowym. Opisany efekt może stanowić pewną niedogodność w pomiarach, ale nie jest on charakterystyczny wyłącznie dla oscyloskopów RTM2000, obserwujemy go nawet w tanich oscyloskopach.

Rysunek 10. Nieoczekiwane efekty działania funkcji FFT

Wyzwalanie i akwizycja

W oscyloskopach RTM2000 zastosowano 3 tryby pracy układu akwizycji: Sample, Peak Detect i High Resolution. Powinny one być wybierane w zależności od badanego sygnału i charakteru pomiaru. W trybie Sample częstotliwość próbkowania jest zależna od podstawy czasu. Wszelkie krótkotrwałe zakłócenia pojawiające się między próbkami nie są wykrywane. Jest to szczególnie istotne podczas badania stosunkowo wolnych przebiegów. W trybie Peak Detect układ akwizycji pracuje z maksymalną szybkością, ale żeby nie zapełnić rekordu nadmiarowymi próbkami, poddawane są one decymacji. W ten sposób pozostają tylko te próbki, które są niezbędne do tworzenia oscylogramu dla danej podstawy czasu. Jeśli układ akwizycji zauważy krótkotrwałe impulsy, nie usuwa ich z rekordu i uwzględnia na wykresie. Zasadę pracy układu akwizycji w trybie Peak Detect przedstawiono na rysunku 11. Na rysunku 11a przedstawiono przebieg z krótkotrwałym zakłóceniem typu glitch (zakłócenie to powiększono funkcją Zooom). W trybie High Resolution układ akwizycji również pracuje z pełną szybkością, ale do rekordu są wpisywane uśrednione wartości kilku próbek. Redukowane są tą metodą szumy, co skutkuje pozornym zwiększeniem rozdzielczości pionowej.

Rysunek 11. Oscylogramy uzyskiwane w różnych trybach pracy układu akwizycji a) przebieg oryginalny, b) tryb Sample, c) tryb High Resolution, d) tryb Peak Detect

Ostateczny kształt oscylogramów zależy jeszcze od wielu czynników. Włączenie trybu Evenlope powoduje na przykład pozostawianie na wykresach zarejestrowanych wartości maksymalnych i minimalnych dla danej chwili czasowej, dając pogląd na temat wszelkich fluktuacji sygnału. Inne metody wpływania na postać oscylogramów to korzystanie z opcji Average, Smooth oraz Filter. W niektórych pomiarach przydatny jest tryb pracy z symulacją wydłużonej poświaty (persystencja).

Użytkując oscyloskopy często nie myślimy o tym w jaki sposób z pojedynczych próbek sygnału tworzony jest ciągły wykres. Najczęściej powstaje on w wyniku zastosowania interpolacji sin(x)/x, która w zdecydowanej większości przypadków najwierniej przekłada dyskretną postać sygnału na sygnał, który jest interpretowany jako ciągły, chociaż zdarza się, że może dawać wynik całkowicie błędny. W przypadku wątpliwości można włączyć interpolację liniową, która mówiąc obrazowo bezpośrednio łączy kolejne próbki prostymi odcinkami. W oscyloskopach RTM2000 jest jeszcze tryb Sample & Hold, w którym wykres jest tworzony schodkowo od próbki do próbki (tylko odcinkami poziomymi).

Analiza protokołów

Trudno wyobrazić sobie oscyloskop MSO bez funkcji analizatora protokołów. Chociaż funkcjonalność ta nie jest dana użytkownikowi za darmo, to nie można pominąć jej milczeniem.

Analiza protokołów jest kojarzona raczej z analizatorem stanów logicznych, jednak sygnały interfejsów szeregowych mogą być badane zarówno poprzez wejścia analogowe, jak i cyfrowe (rysunek 12). Analizator protokołów można skonfigurować nawet tak, by uwzględniał część sygnałów analogowych, część cyfrowych. Zwykle, jeśli tylko oscyloskop ma wejścia cyfrowe, to właśnie one będą wykorzystywane do badania interfejsów, podczas gdy kanały analogowe będą wykorzystywane do mierzenia innych sygnałów w urządzeniu.

Rysunek 12. Dekodowanie komunikatów przesyłanych interfejsem SPI z zastosowaniem analizatora protokołów i wejść analogowych

Korzystanie z analizatora protokołów należy rozpocząć od prawidłowego skonfigurowania parametrów interfejsu. Jest to istotne z uwagi na spotykane różne tryby pracy stosowane nawet dla jednego standardu. Nieodpowiednie zaznaczenie opcji konfiguracyjnych może skutkować błędną pracą analizatora. O obsłudze tej funkcji niestety nie można powiedzieć za dużo dobrego. Wprowadzanie warunków wyzwalania i wyszukiwania jest niepotrzebnie skomplikowane i mało czytelne dla użytkownika. Pikanterii dodaje fakt, że w oprogramowaniu firmowym oscyloskopów RTM2000 o numerach wcześniejszych niż 05.303 z 28.08.2013 był błąd praktycznie uniemożliwiający pracę z analizatorem protokołów. Problem polegał na niestabilności czasowej zdekodowanych danych. Komunikaty drgały na osi czasu raz w lewo raz w prawo, co po pierwsze utrudniało odczytanie treści, po drugie dawało wrażenie nieprawidłowości działania badanego urządzenia. W wersji 05.303 efekt ten w zasadzie już nie występuje. Jedynie dla dużych szybkości transmisji dają się zauważyć minimalne drgania (na grubość piksela ekranowego) niektórych zboczy sygnału.

Czy Rohde&Schwarz jest w czołówce światowej?

Olbrzymia praca jaka została włożona w ostatnich latach w doskonalenie oscyloskopów cyfrowych ze znakiem Rohde&Schwarz jest nie do zakwestionowania. Firma ta oferuje kilka modeli z bardzo wysokiej półki jakościowo-cenowej. Na razie niewielu jest producentów na świecie, którzy mogą zaoferować sprzęt podobnej klasy, ale też nikt nie zasypia gruszek w popiele i co jakiś czas obserwujemy zaskakujące nowości napływające z różnych stron świata. Nowe urządzenia mają parametry, które do niedawna wydawały się barierą nie do pokonania dla większości wytwórców. Rohde&Schwarz to firma z olbrzymią tradycją i licznymi sukcesami w dziedzinie pomiarów RF. Dodatkowym jej atutem jest posiadanie sporego potencjału naukowo-badawczego, który jak dotąd wykorzystuje chyba prawidłowo i skutecznie. A jak będzie w przyszłości? Czas pokaże.

Przedstawicielstwo Rohde & Schwarz w Polsce: ul. Al. Jerozolimskie 92, 00-807 Warszawa, tel: 22 337 64 90-99.